EP1419303B1 - Komplexe verbundstrukturen und verfahren und vorrichtung zur herstellung derselben aus endlosfasern - Google Patents

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EP1419303B1 EP02778197A EP02778197A EP1419303B1 EP 1419303 B1 EP1419303 B1 EP 1419303B1 EP 02778197 A EP02778197 A EP 02778197A EP 02778197 A EP02778197 A EP 02778197A EP 1419303 B1 EP1419303 B1 EP 1419303B1
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Claims (25)

  1. Verfahren zur Herstellung einer komplexen dreidimensionalen Struktur (12) aus einem Faser/Harz-Verbund, umfassend die Schritte:
    a) Ziehen einer Vielzahl von kontinuierlichen Fasern (50) von einer Zufuhrquelle (62) entlang eines Verarbeitungswegs (58) um eine Längsachse (14);
    b) Wickeln von mindestens einigen der Fasern um die Längsachse in entgegengesetzten Richtungen, um wendelförmige und gegenläufig wendelförmige Komponenten (30, 34) herzustellen, die sich an Knotenpunkten (26, 28) kreuzen;
    c) Aufbringen eines Harzes auf die Fasern;
    d) Aushärten des Harzes; gekennzeichnet durch
    e) Aufnehmen der Fasern von der Außenseite der wendelförmigen und gegenläufig wendelförmigen Komponenten auf dem Verarbeitungsweg nur an Stellen, die an ausgewählten Knotenpunkten gelegen sind, ohne die wendelförmigen und gegenläufig wendelförmigen Komponenten zu berühren, und
    f) Halten der ausgewählten Knoten radial außerhalb der Längsachse durch eine von außerhalb der wendelförmigen und gegenläufig wendelförmigen Komponenten kommenden Kraft, um aufeinander folgende diskrete Segmente (22) in den wendelförmigen und gegenläufig wendelförmigen Komponenten zu erzeugen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des Haltens weiter den Schritt des Verlagerns der ausgewählten Knotenpunkte von der Längsachse radial nach außen umfasst.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des Haltens weiter das Halten der Fasern in einer gewünschten Konfiguration umfasst, ohne dass ein innerer Dorn verwendet wird, der in einem von den wendelförmigen und gegenläufig wendelförmigen Komponenten gebildeten Innenraum angeordnet ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, das weiter den Schritt des Anordnens einer Vielzahl von kontinuierlichen Fasern zu einer Skelettstruktur mit einer erwünschten Konfiguration umfasst.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die gewünschte Konfiguration mindestens umfasst:
    1) kontinuierliche gerade Stränge, die in Längsrichtung des Verarbeitungswegs ausgerichtet und im Abstand von der Längsachse angeordnet sind;
    2) wendelförmige Stränge mit aufeinander folgenden diskreten Segmenten, die sich in einer Richtung um die Längsachse wickeln;
    3) gegenläufig wendelförmige Stränge mit aufeinander folgenden diskreten Segmenten, die sich in einer anderen entgegengesetzten Richtung um die Längsachse wickeln, wobei sich die wendelförmigen und die gegenläufig wendelförmigen Stränge an Knotenpunkten kreuzen.
  6. Verfahren nach Anspruch 4, das weiter den Schritt des gleichzeitigen Ziehens der Skelettstruktur entlang des Verarbeitungswegs umfasst, während die kontinuierlichen Fasern angeordnet werden.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, das weiter den folgenden Schritt umfasst:
    a) Führen der Vielzahl von kontinuierlichen Fasern entlang des Verarbeitungswegs und um die Längsachse in entgegengesetzten Richtungen herum, um
    1) mindestens zwei mit Abstand voneinander angeordnete wendelförmige Komponenten mit einer gemeinsamen Winkelausrichtung bezüglich der Längsachse und
    2) mindestens eine gegenläufig wendelförmige Komponente (204), die an die mindestens zwei wendelförmigen Komponenten angefügt wird und die eine relativ zu den zwei wendelförmigen Komponenten entgegengesetzte Winkelausrichtung hat,
    herzustellen, und wobei durch das Aufnehmen und Halten der Knotenpunkte mindestens drei langgestreckte diskrete Segmente gebildet werden, die aufeinanderfolgend in einer wendelförmigen Konfiguration jeweils an den Enden verbunden sind, um eine einzige vollständige Umrundung der Längsachse zu bilden.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, das weiter den folgenden Schritt umfasst:
    a) Führen von anderen der Vielzahl von kontinuierlichen Fasern entlang des Verarbeitungswegs und der Längsachse parallel zu der Längsachse, um langgestreckte Komponenten zu bilden und
    b) Kreuzen der wendelförmigen, gegenläufig wendelförmigen und langgestreckten Komponenten an inneren Knotenpunkten (28).
  9. Verfahren nach Anspruch 1, das weiter den folgenden Schritt umfasst:
    a) Führen von anderen der Vielzahl von kontinuierlichen Fasern entlang des Verarbeitungswegs und der Längsachse parallel zu der Längsachse, um langgestreckte Komponenten zu bilden und
    b) Kreuzen der wendelförmigen, gegenläufig wendelförmigen und langgestreckten Komponenten an äußeren Knoten (26).
  10. Verfahren nach Anspruch 1, das weiter den folgenden Schritt umfasst:
    a) Anordnen einer Vielzahl von kontinuierlichen Fasern, um eine Vielzahl von langgestreckten Strängen mit einer vorbestimmten Ausrichtung zu erzeugen, einschließlich mindestens zwei unterschiedlichen Strängen mit unterschiedlichen Ausrichtungen, die sich an mindestens einem der Knotenpunkte kreuzen;
    b) Überlappen der Vielzahl von kontinuierlichen Fasern an den Knotenpunkten, und
    c) Zusammenführen der Vielzahl von Fasern in jedem Strang.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der Schritt des Überlappens der Vielzahl von Fasern an den Knotenpunkten das Ausbilden von Zwischenräumen zwischen der Vielzahl von Fasern umfasst und bei dem der Schritt des Zusammenführens der Vielzahl von Fasern das Verdichten der Fasern und das Reduzieren der Zwischenräume umfasst.
  12. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der Schritt des Verdichtens der Fasern in jedem Strang das Verdrillen von mindestens einem der Stränge umfasst.
  13. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der Schritt des Verdichtens der Fasern in jedem Strang umfasst:
    Wickeln von anderen Fasern um mindestens einen der Stränge, um einen Kern aus in gleicher Richtung verlaufenden Fasern, der von einer Schicht aus äußeren Fasern umschlossen ist, herzustellen.
  14. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der Schritt des Verdichtens der Fasern in jedem Strang das Flechten von mindestens einem der Stränge umfast.
  15. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der Schritt des Verdichtens der Fasern in jedem Strang umfasst:
    Flechten von anderen Fasern um mindestens einen der Stränge, um einen Kern aus in gleicher Richtung verlaufenden Fasern, der von einer Schicht aus äußeren geflochtenen Fasern umschlossen ist, herzustellen.
  16. Vorrichtung (10) zur Herstellung einer komplexen dreidimensionalen Struktur (12) aus einem Faser/Harz-Verbund, wobei die Vorrichtung umfasst:
    a) eine Vielzahl von Faser-Zuführeinrichtungen (62) zum Zuführen einer Vielzahl von kontinuierlichen Fasern (50);
    b) eine Ziehvorrichtung zum Ziehen der kontinuierlichen Fasern aus den Faser-Zuführeinrichtungen;
    c) einen Verarbeitungsweg (58), der zwischen der Vielzahl von Faser-Zuführeinrichtungen und der Ziehvorrichtung ausgebildet ist und eine Längsachse (14) aufweist;
    d) eine Vielzahl von den Faser-Zuführeinrichtungen zugeordneten Rotationselementen, die relativ zu dem Verarbeitungsweg in entgegengesetzten Richtungen um die Längsachse drehbar sind, um die kontinuierlichen Fasern in entgegengesetzten Richtungen aufzuwickeln, um wendelförmige und gegenläufig wendelförmige Komponenten (30, 34) herzustellen, die sich an Knotenpunkten (26, 28) kreuzen, gekennzeichnet durch:
    e) ein Harzauftragsgerät (90) zum Aufbringen von Harz auf die kontinuierlichen Fasern, und
    f) einen Tragrahmen (80), der entlang des Verarbeitungswegs angeordnet ist und einen außerhalb der wendelförmigen und gegenläufig wendelförmigen Komponenten angeordneten äußeren Tragrahmen und eine Vielzahl von Aufnahmeelementen (84) umfasst, um die wendelförmigen und gegenläufig wendelförmigen Komponenten in dem Verarbeitungsweg nur an den Stellen, die an den Knotenpunkten in dem Verarbeitungsweg liegen, aufzunehmen, und der um den Verarbeitungsweg herum angeordnet ist, um die Knotenpunkte von außerhalb der wendelförmigen und gegenläufig wendelförmigen Komponenten aufzunehmen und die Knotenpunkte der wendelförmigen und gegenläufig wendelförmigen Komponenten radial außerhalb der Längsachse zu halten, um aufeinanderfolgende diskrete Segmente (22) in den wendelförmigen und gegenläufig wendelförmigen Komponenten zu bilden.
  17. Vorrichtung nach Anspruch 16, die weiter eine dem Rotationselement zugeordnete Verdrilleinrichtung aufweist, die sich drehen kann, um eine Vielzahl von benachbarten Fasern miteinander zu verdrillen.
  18. Vorrichtung nach Anspruch 16, die weiter eine dem Rotationselement zugeordnete Umhüllungseinrichtung aufweist, die um eine Vielzahl von Fasern drehbar ist, um die Vielzahl von Fasern mit einer anderen Vielzahl von Fasern zu umwickeln, um einen Kern (140) aus geraden Fasern (50) herzustellen, der von einer Schicht herumgewickelter Fasern (142) umschlossen ist.
  19. Vorrichtung nach Anspruch 16, die weiter eine dem Rotationselement zugeordnete Flechteinrichtung aufweist, um eine Vielzahl von Fasern zu einem geflochtenen Strang zu verweben.
  20. Vorrichtung nach Anspruch 16, bei der die Aufnahmeelemente von der Längsachse radial nach außen verlagerbar sind, um die Knotenpunkte radial nach außen zu verlagern.
  21. Vorrichtung nach Anspruch 16, bei der die kontinuierlichen Fasern von den Aufnahmeelementen in einer gewünschten Konfiguration in dem Verarbeitungsweg gehalten werden, ohne Verwendung eines inneren Dornes.
  22. Vorrichtung nach Anspruch 16, weiter umfassend:
    a) ein Haupttragelement (54), das die Vielzahl von Faser-Zuführeinrichtungen (62), die an dem Haupttragelement befestigt sind, einschließt, wobei die Faser-Zuführeinrichtungen die Rotationselemente umfassen, wodurch ermöglicht wird, dass sich die Rotationselemente und die zugeordneten Zuführeinrichtungen relativ zu der Längsachse in einem Winkel verlagern können, während die in der Vorrichtung zu verarbeitenden Fasern zugeführt werden;
    b) ein Ausrichtungsführungselement (77), das benachbart zu dem Haupttragelement angeordnet ist, um eine Gruppe von kontinuierlichen Fasern (50) von der Vielzahl von Faser-Zuführeinrichtungen zu erhalten und die Gruppe von kontinuierlichen Fasern in einem Winkel neu auszurichten, um eine gewünschte Verarbeitungskonfiguration auf der Längsachse zu erhalten;
    c) ein Zugelement, um die Gruppe von kontinuierlichen Fasern nach der vorbereitenden Konfigurierung an einem um die Längsachse herum gebildeten Verarbeitungsweg entlang zu ziehen und mindestens einen Teil der Fasern in einem gespannten Zustand entlang des Verarbeitungswegs zu halten, um eine axiale und radiale Stützkonfiguration bereitzustellen, die eine funktionelle Skelettstruktur für die dreidimensionale Struktur bildet, und
    d) mindestens ein radial verlagerbares Zwischentragelement, das zwischen dem Hauptträger und dem Zugelement angeordnet ist und bezüglich der Gruppe von Fasern eingesetzt wird, um periodisch mindestens eine Faser aus der axialen Stützkonfiguration relativ zu der Längsachse entlang eines radialen Wegs in eine stabile äußere Position zu verlagern, die die dreidimensionale Struktur darstellt, wobei die dreidimensionale Struktur ohne die Unterstützung durch einen inneren Dorn oder eine Hohlform um die funktionelle Skelettstruktur herum in einer stabilen gitterartigen Konfiguration gehalten wird.
  23. Dreidimensionale Struktur mit einer Längsachse, umfassend:
    a) eine Vielzahl von im Abstand voneinander angeordneten wendelförmigen Komponenten, die jeweils eine gemeinsame Winkelausrichtung und aufeinander folgende diskreten Segmente, die sich in einer Richtung um die Längsachse wickeln, aufweisen;
    b) eine Vielzahl von im Abstand voneinander angeordneten gegenläufig wendelförmigen Komponenten, die jeweils eine zu den wendelförmigen Komponenten entgegengesetzte Winkelausrichtung und aufeinander folgende diskreten Segmente, die sich in der entgegengesetzten Richtung um die Längsachse wickeln, aufweisen, wobei sich die wendelförmigen und gegenläufig wendelförmigen Komponenten an Knotenpunkten kreuzen;
    c) eine Vielzahl von langgestreckten Elementen, die die wendelförmigen und gegenläufig wendelförmigen Komponenten an den Knotenpunkten kreuzen und die parallel zu der Längsachse ausgerichtet sind;
    d) wobei die wendelförmigen und gegenläufig wendelförmigen Komponenten aus einer Vielzahl von kontinuierlichen Fasern hergestellt sind, und
    e) wobei mindestens einige der Fasern Teile von mindestens zwei der wendelförmigen und gegenläufig wendelförmigen Komponenten und der langgestreckten Elemente bilden, wobei diese Fasern an den Knotenpunkten zwischen mindestens zwei Elementen der aus den wendelförmigen Komponenten, den gegenläufig wendelförmigen Komponenten und den langgestreckten Elementen bestehenden Gruppe wechseln.
  24. Dreidimensionale Struktur nach Anspruch 23, die weiter umfasst:
    a) dass mindestens einige der Vielzahl von kontinuierlichen Fasern einen Kern aus langgestreckten Fasern und eine Hülle aus geflochtenen Fasern, die den Kern aus langgestreckten Fasern umschließt, aufweisen.
  25. Struktur nach Anspruch 24, bei der durch das Kreuzen der wendelförmigen und gegenläufig wendelförmigen Komponenten an den Knotenpunkten Zwischenräume zwischen den Fasern an den Knotenpunkten ausgebildet werden, und wobei die Umhüllung aus geflochtenen Fasern den Kern aus langgestreckten Fasern zusammendrückt, um die Zwischenräume zu verkleinern.
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